基于Multisim12的晶体三极管开关电路应用研究

作者/程院莲 刘修泉 ，广州番禺职业技术学院 机电工程学院



基于Multisim12的晶体三极管开关电路应用研究

作者/程院莲 刘修泉 ，广州番禺职业技术学院 机电工程学院

文章摘要：在自动控制电路中，常使用晶体三极管作为电子开关来控制负载的工作状态。通过Multisim12仿真软件分析了三极管开关特性，然后基于三极管开关特性，将三极管作为电子开关应用到驱动发光二极管、蜂鸣器、电动机、继电器等器件的实际自控电路中。本文可加深对三极管开关特性的理解，提高学习电子技术的兴趣和积极性，也可推动三极管作为电子开关在实际自控电路中的应用开发。

关键词：Multisim12，三极管，电子开关电路

引言

半导体三极管也称晶体三极管，是电子电路中最重要的半导体器件，其主要用途有两个，一是利用它的电流放大作用组成各种放大电路，另一用途则是利用它的开关特性作为电子开关。三极管电子开关与传统的机械式开关比较，具有很多优势，主要在四个方面，1.三极管开关动作速度快，以微秒（us）计，而一般机械式开关动作速度慢很多，以毫秒（ms）计；2.三极管开关不具有活动结点部分，无磨损之虑，可使用无限多次，而一般机械式开关由于接点磨损，最多使用数百万次；3.三极管开关没有跃动现象，而一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态；4.利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不致有火花产生。因此，在自动控制电路中，常使用半导体三极管作为电子开关来驱动控制发光二极管、蜂鸣器、电动机、继电器等器件的工作状态，而获得广泛应用。

1.三极管开关电路

要使三极管起到开关作用，必须使其工作在饱和与截止状态。当三极管基极电流不断增大，集电极电流不可能继续增大时，三极管就进入了饱和状态。进入饱和状态后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。当基极电流为0时，三极管集电极电流为0，这时三极管截止，相当于开关断开。将工作在截止和饱和状态的三极管称为开关管。

图1为三极管开关电路，RB为基极电阻，RC为集电极电阻，VCC为工作电源，当Vin为标准低电平时，三极管应截止，三极管开关则断开，而当Vin为标准高电平时，三极管应饱和，三极管开关则导通，但RB、RC、VCC的取值还需根据开关电路实际控制对象件来选取。

图1　三极管开关电路

2.基于Multisim12的三极管开关电路分析

Multisim是美国NI公司推出的一款专门用于电子线路仿真与设计的电子自动化工具，能将专业理论知识用计算机仿真展现出来，很好地解决理论设计与实际测试脱节的问题，目前在各高校教学中普遍使用Multisim12.0版本。

图2为基于Multisim12的三极管开关电路，以发光二极管作为被驱动器件，用的是NPN管，发光二极管LED接在三极管的集电极，R2为其限流电阻可取200Ω，XFG2为信号发生器，获得开关电路驱动信号，XMM1为多用表，测量通过LED的电流。LED工作电流一般为10～20mA，基极电阻取4.7K，通过仿真分析，只要驱动信号幅度为阈值1.4V以上，则发光二极管闪烁，通过LED的电流一直为图2多用表XMM1所示的13.13mA，说明三极管开关电路正常工作，但实际应用中，建议驱动信号幅度为3V以上。如图3，若将被驱动器件接在三极管的发射极，同样取基极电阻为4.7K，通过仿真分析，驱动电压下降，LED电流也随之下降，三极管无法工作在开关状态，所以开关电路不建议这样设计。

图2　基于Multisim12的NPN型驱动发光二极管的三极管开关电路1（合适的设计）

图3　基于Multisim12的NPN型驱动发光二极管的三极管开关电路2（不合适的设计）

图4　PNP型驱动发光二极管的三极管开关电路

图5　驱动蜂鸣器的三极管开关电路

3.三极管开关电路应用

■3.1驱动蜂鸣器的三极管开关电路

在简易自动报警器中，常常采用蜂鸣器发声或发光二极管发光产生示警信号。图5为驱动蜂鸣器的三极管开关电路。HA为声响指示器，采用低电压（3V）蜂鸣器，其工作电流仅需十几个毫安。VT选用9013，hfe≈200，偏置电阻器R为15kΩ，VT的基极电流 约0.15mA（），集电极电流IC约为15mA，蜂鸣器可正常工作，此时VT已经饱和导通，其集电极—发射极之间电压 仅为0.05V 。若将图5电路中的控制开关S换成干簧管开关，就成为磁控声响电路，可用于保险柜防盗报警器，在打开保险柜门时，由于磁铁离开干簧管而报警。若将图5电路中的R减小到10kΩ，控制开关S换成光敏电阻器或光敏二极管，就成为光控声响电路。

■3.2驱动电动机的三极管开关电路

玩具电动机是常用的动力装置，它能够把电能转换为机械能，可用于小电风扇转动、小离心水泵抽水等执行功能。在图6（a）电路中，电动机空载时运转电流约为500mA，此时电源（用两节5号电池供电）电压降至2.4V，VT基极-发射极之间电压VBE≈0.9V。根据欧姆定律，VT基极限流电阻器的电阻值R＝（2.4－0.9）V／12mA≈0.13kΩ。考虑到VT在IC较大时，hfe要减小，电阻值R还要小一些，实取100Ω。为使电动机更可靠地启动，R甚至可减少到51Ω。在调试电路时，接通控制开关S，电动机应能自行启动，测量VT集电极—发射极之间电压VCE≤0.35V，说明三极管已饱和导通，三极管开关电路工作正常，否则会使VT过热而损坏。

自动灭火的热量自动控制电路见图6（b）。该电路是将图6（a）中的控制开关S换成双金属复片开关ST，就成为热控电路了。当蜡烛火焰烧烤到双金属复片时，复片趋于伸直状态，使得开关ST接通，电动机启动，带动小风扇叶片旋转，对准蜡烛吹风，自动将火焰熄灭；当双金属片冷却后，开关断开，小电风扇自动停转，完成了自动灭火的程序。

自动停车的磁力自动控制电路见图6（c）。开启电源开关S，玩具车启动，行驶到接进磁铁时，安装在VT基极与发射极之间的干簧管SQ闭合，将基极偏置电流短路，VT截止，电动机停止转动，保护了电动机及避免大电流放电。

图6　驱动玩具动机的三极管开关电路

■3.3驱动继电器的三极管开关电路

利用三极管开关直接驱动负载—玩具电动机、蜂鸣器等，使得自控电路执行机构的选择受到牵制，采用继电器可解决此问题。图7为驱动继电器的三极管开关电路。继电器K选用JRC—21F等超小型弱功率电磁继电器，线圈电压选6V，消耗功率0.36W。由于继电器线圈工作电流60mA，比玩具电动机工作电流小，比蜂鸣器、发光二极管工作电流大，因此设计电路时各元件参数介于两者之间，图中参数供参考。F为衔铁，D为常闭触点，E为常开触点。当控制开关S闭合时，继电器吸合，常开触点F－E接通，发光二极管VD1点亮，R2为限流电阻器。

若将图7中的控制开关S换成干簧管开关、双金属复片开关，就可以进行磁控和热控自动控制了。继电器触点可以根据需要选用常开或常闭触点。比如，利用日光灯中启辉器中的双金属复片，改制成可控温度传感器，制作成简易电子恒温箱、酸奶器，甚至炕头孵化鸡蛋的过热、过冷报警器等。若选用JRX型继电器，其触点可以接220V交流电，直接驱动交流电用电器。

图7　驱动继电器的三极管开关电路

4.结束语

基于mulitisim12仿真软件分析了三极管开关特性，且将三极管开关特性应用到实际自控电路中，能够对自控电路设计起到一定启发作用。

参考文献：

＊[1] 卢敦陆.Multisim仿真软件中三极管模型参数的确定.现代电子技术[J]，2014，37（21）：120～123.

＊[2] 王晓静.三极管的开关特性及应用.电子制作[J]，2009，6：64～65.

＊[3] 官飞.三极管的开关电路.河南科技[J]，2013,3：2～3.

＊[4] 陈永利.任艳艳.基于PLC和触摸屏的电镀生产线控制系统设计.制造业自动化[J]，2011，12：149～151.